تحلیل و بهینه‌سازی شکل آج میلگردهای GFRP برای افزایش چسبندگی با بتن

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، گروه مواد کامپوزیت

10.22063/jipst.2026.35823.2440

چکیده

فرضیه: در این پژوهش، رفتار پیوندی میان میلگردهای پلیمری تقویت‌شده با الیاف شیشه (GFRP) و بتن، که نقش تعیین‌کننده‌ای در یکپارچگی سازه‌ای، انتقال تنش‌ها و دوام سازه‌های بتنی دارد، بررسی شد. با توجه به تفاوت‌های رفتاری میان میلگردهای GFRP و فولادی سنتی، طراحی مناسب هندسه آج این نوع میلگردها برای بهبود عملکرد پیوندی آن‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. پارامترهای ارتفاع، عرض، گام و زاویه سطح مقطع آج میلگرد به‌عنوان عوامل اصلی اثرگذار بر پیوند میلگردهای کامپوزیتی درنظر گرفته می‌شود.
روش‌ها: تمرکز اصلی این مطالعه بر تحلیل اثر چهار پارامتر کلیدی آج شامل ارتفاع، عرض، گام و زاویه سطح مقطع بر مقاومت پیوندی میلگردهای GFRP در بتن بوده است. این پارامترها با رویکردی ترکیبی (تجربی-عددی) در بازه‌های مستخرج از ادبیات پژوهش، واکاویی شدند. در بخش تجربی، شش نوع میلگرد GFRP ماشین‌کاری‌شده با هندسه‌های متفاوت، از جمله دو طرح بهینه‌سازی‌شده، تحت آزمایش‌های بیرون‌کشیدگی قرار گرفتند تا رفتار پیوندی آن‌ها با بتن ارزیابی شود. در بخش عددی، ۳۶ پیکربندی مختلف از هندسه آج با استفاده از نرم‌افزار Abaqus مدل‌سازی شدند. در این مدل‌سازی‌ها، از مدل نرم‌شده آسیب بتن (CDP) برای شبیه‌سازی رفتار بتن و از معیار شکست LaRC05 برای تحلیل رفتار مواد کامپوزیتی بهره گرفته شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد، سه پارامتر ارتفاع، گام و عرض آج اثر قابل‌توجهی بر نیروی پیوند دارند، در حالی که زاویه مقطع عرضی نقش کمتری ایفا می‌کند. طرح بهینه‌شده با مشخصات هندسی شامل ارتفاع ۰٫۷۳ ) m10-3 (، عرض ۹٫۴۴ ) m10-3 (، گام ۱۳٫۸۴ ) m10-3 ( و زاویه ۵۳ درجه، موفق به دستیابی به حداکثر نیروی بیرون‌کشیدگی معادل (N)۴۹٬۰۰۰ شد که نسبت به طرح‌های رایج، بهبود چشمگیری را نشان می‌دهد. این یافته‌ها با تأکید بر طراحی مهندسیِ هندسه آج، چارچوبی کاربردی برای توسعه میلگردهای GFRP با عملکرد بالا ارائه می‌دهند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Scientific Analysis and Optimization of GFRP Rebar Rib Geometry for Enhanced Bond Performance with Concrete

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Navaei
  • Elham Shahabi Ghahfarokhi
  • Jafar Eskandari Jam
  • Amin Mirzaei
  • Milad Shahsavari
Composite Materials Department, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Hypothesis: This study presents a comprehensive investigation into the bond behavior between glass fiber-reinforced polymer (GFRP) bars and concrete, a critical factor in ensuring structural integrity, effective stress transfer, and long-term durability of reinforced concrete structures. Given the distinct mechanical behavior of GFRP bars compared to conventional steel reinforcement, optimizing the surface rib geometry of GFRP bars is essential for enhancing their bond performance with concrete. Methods: The primary focus of this research is to analyze the influence of four key rib geometry parameters—rib height, width, spacing (pitch), and cross-sectional angle—on the bond strength of GFRP bars embedded in concrete. These parameters were systematically varied and evaluated through a combination of experimental pull-out tests and advanced numerical simulations. Experimentally, six types of machined GFRP bars with different rib geometries, including two optimized designs, were subjected to standard pull-out tests to assess their bond behavior. Numerically, 36 different rib configurations were modeled using Abaqus software. The simulations employed the Concrete Damage Plasticity (CDP) model to represent concrete behavior and the LaRC05 failure criterion to capture the response of composite materials.
Findings: The results revealed that rib height, spacing, and width significantly influence bond strength, while the cross-sectional angle has a comparatively minor effect. The optimized rib design—with a height of 0.73 mm, width of 9.44 mm, spacing of 13.84 mm, and angle of 53 degrees—achieved a maximum pull-out force of approximately 49,000 N, demonstrating a substantial improvement over conventional design. These findings underscore the importance of precise and engineered rib geometry in improving bond performance and provide a robust scientific and practical framework for the development of high-performance GFRP bars in civil engineering applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bond Strength of GFRP Rebar
  • Pull-Out Test
  • Numerical Simulation of GFRP Rebar
  • Optimization
  • Rib Geometric Parameters